高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)施工關(guān)鍵問(wèn)題研究

楊 雄

（長(zhǎng)江沿岸鐵路集團(tuán)股份有限公司，湖北 武漢 448000）

接觸網(wǎng)受多種因素影響，其中接觸網(wǎng)施工技術(shù)是最重要的因素之一。高鐵施工以及國(guó)內(nèi)外運(yùn)行試驗(yàn)與維修的實(shí)踐證明，要保障高速供電線路系統(tǒng)的安全，除了必須選用優(yōu)質(zhì)和先進(jìn)的受電弓等導(dǎo)線設(shè)備以外，同時(shí)還需要先進(jìn)的安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，并保證具有一定的可靠性[1]。在遇到施工問(wèn)題時(shí)，需要及時(shí)排查接觸網(wǎng)線和各種高速電力布線系統(tǒng)在實(shí)施過(guò)程中的關(guān)鍵工藝控制點(diǎn)，并進(jìn)行深入、細(xì)致地調(diào)研，以了解其先進(jìn)技術(shù)，保證工程施工效率，并減少在施工時(shí)對(duì)線路及其他配電系統(tǒng)的額外影響。

1 接觸網(wǎng)施工的技術(shù)要點(diǎn)

1.1 技術(shù)參數(shù)的控制

因?yàn)楣こ痰募夹g(shù)特點(diǎn)，在施工過(guò)程的中橋梁和地面支柱都需要在軌道工程施工前做好預(yù)先準(zhǔn)備，因此在施工階段，需要先對(duì)橋面施工條件和地面軌道的預(yù)先支撐進(jìn)行技術(shù)分析，然后在后續(xù)工作中，逐步調(diào)整有關(guān)參數(shù)值，并在一定標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行控制，以確定對(duì)地面軌道施工的有關(guān)要求，在中國(guó)高速鐵路設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中對(duì)技術(shù)的要求也相當(dāng)高。在中國(guó)高鐵施工階段，目前有3套高精度的檢測(cè)系統(tǒng)，即一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)[2]，可對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，以保證地面軌道施工中相關(guān)參數(shù)的精度。軌道檢測(cè)通過(guò)一級(jí)和二級(jí)精確測(cè)量系統(tǒng)和三級(jí)精確檢測(cè)系統(tǒng)完成。在鐵路施工過(guò)程中，使用軌距數(shù)據(jù)將從三級(jí)精確測(cè)量網(wǎng)絡(luò)獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入特定建筑物中，施工人員必須將其作為在軌距施工中調(diào)整導(dǎo)線值的主要依據(jù)，以確保數(shù)值在規(guī)定范圍內(nèi)。

1.2 接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

高速鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)中布置于跨線橋上的觸網(wǎng)上、和下游線路均為對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，檔距約50 m，并且每側(cè)設(shè)置了T線和F線兩條饋電線。它由一條通信線與下方的另一條接觸線所構(gòu)成。另外，將空氣連接電纜PW電纜）布置在兩端，以避免電壓回流[3]。而按照京津城際客運(yùn)專(zhuān)線的特殊設(shè)計(jì)參數(shù)，大教堂F線、大教堂T線和大教堂T號(hào)線路在軌面的高程分別為6.9m、5.3m和7.4m。PW線路的安裝位置和大教堂T的安裝位置一致。橋梁間距為33m，高度則考慮為12m和16m兩個(gè)典型高程（軌距地高度）。

1.3 高架橋參數(shù)

高架橋的主要結(jié)構(gòu)包括箱梁和橋梁主體兩個(gè)部分。其中，橋梁主體主要由墩體、支撐平臺(tái)和樁基3個(gè)部分組成，并且支撐平臺(tái)和樁基都是在地下建造的。根據(jù)接觸網(wǎng)線路牽引供電有關(guān)的高架參數(shù)主要部分是對(duì)其內(nèi)部接地導(dǎo)線進(jìn)行的設(shè)計(jì)布局。根據(jù)《客運(yùn)線路綜合接地技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施辦法（暫行）》的規(guī)定[4]，高架箱梁的電纜室內(nèi)放置兩根接地線，箱梁上面板放置4根縱向接地棒（直徑必須大于或等于16 mm），6根接地線穿過(guò)橋端橫向連接桿的直徑連接至接線盒桿的底部，兩根接地桿放置在橋塢框架內(nèi)。耦合裝置從頂部引出，通過(guò)導(dǎo)線連接至箱梁底部的接地連接器，底部連接至軸承體的矩形平面接地鋼筋。橋墩通常由6～8個(gè)樁基組成，每個(gè)樁基配有連接桿[5]。在高架橋施工中，接地鋼筋不是單獨(dú)設(shè)置的，而是從非預(yù)載結(jié)構(gòu)鋼筋（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“結(jié)構(gòu)鋼筋”）中選擇，該結(jié)構(gòu)鋼筋進(jìn)行綁扎和粘結(jié)，并通過(guò)焊接工藝進(jìn)行嚴(yán)格的等電位連接后使用。高架橋有數(shù)百根結(jié)構(gòu)鋼筋，箱形鋼筋、碼頭豎井、承臺(tái)和樁基的結(jié)構(gòu)鋼筋系都在箱梁上。

2 接觸網(wǎng)耐雷性能分析方法

2.1 直擊雷過(guò)電壓計(jì)算模型

雷流波形在直擊雷過(guò)電壓計(jì)算模型數(shù)據(jù)中呈現(xiàn)為2.6/50us的斜角波。其中雷通道阻抗也與雷流幅值有關(guān)，當(dāng)雷流較大時(shí)，取為820Ω，當(dāng)雷流較小時(shí)，則取為320Ω[6]。這是由于接觸網(wǎng)F線的雷擊跳閘率很高，而受到F線屏蔽的T線雷擊跳閘率較低；提出了將PW線兼做避雷線使用以及在F線絕緣子上安裝帶串聯(lián)間隙避雷器的防護(hù)方案，同時(shí)，建議加強(qiáng)高架橋非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)鋼筋與接地鋼筋的可靠等電位連接，以提高防護(hù)方案的效果。

接觸網(wǎng)導(dǎo)線和支柱傳輸。導(dǎo)線設(shè)計(jì)是以平行傳輸線為主，參數(shù)根據(jù)JMarti模型計(jì)算可得。其中，由承力索和接觸線組成的T按二分裂導(dǎo)線處理。支柱采用傳輸線模型等值，波阻抗取250Ω。表1為試驗(yàn)中所獲得的對(duì)接觸網(wǎng)線路供電系統(tǒng)絕緣子正、負(fù)極特性以及對(duì)基準(zhǔn)雷沖擊的50%放電電壓特性。

表1 接觸網(wǎng)絕緣子雷電沖擊50%放電電壓

2.2 高架橋模型

高架橋模型主要以高架橋箱梁和橋梁為主要參數(shù)對(duì)象，采用綜合法構(gòu)建了各種高架橋仿真系統(tǒng)。根據(jù)相關(guān)客運(yùn)專(zhuān)線的接地技術(shù)實(shí)施措施（臨時(shí)），高架接地線包括接地線和接地鋼筋。實(shí)際上，接地鋼筋也與結(jié)構(gòu)鋼筋相連。當(dāng)雷擊電流通過(guò)時(shí)，結(jié)構(gòu)鋼筋也在一定程度上參與了雷擊電流的消除。因此，在建模中考慮2種情況：1）是否只有接地線放電。2）結(jié)構(gòu)加固能否有助于流體排放。只有在接地線放電時(shí)，才會(huì)考慮箱線的對(duì)角線和具有縱向連桿直徑的平行線。因此，該文將其視為傳輸線，并通過(guò)JMarti模型的計(jì)算；橋梁結(jié)構(gòu)接地鋼筋垂直布置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜[7]。首先，通過(guò)轉(zhuǎn)矩法計(jì)算導(dǎo)納法的頻率響應(yīng)，然后通過(guò)矢量匹配技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)合成理論計(jì)算導(dǎo)納方法的頻率響應(yīng)范圍，構(gòu)建與沖擊阻抗系數(shù)相對(duì)應(yīng)的電路空間。本次采用一種有理函數(shù)近似求值方法，也就是矢量匹配。其中使用矢量匹配技術(shù)來(lái)近似導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的輸入頻率響應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，從而在理論參數(shù)基礎(chǔ)上導(dǎo)出相應(yīng)的有理函數(shù)表達(dá)式。矢量匹配在模型應(yīng)用中，第一步是先將導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行傳遞分析，導(dǎo)出有理函數(shù)分式，然后進(jìn)行迭代逼近計(jì)算，如公式（1）所示。

式中：an和cn分別為一階有理分式的的零點(diǎn)和極點(diǎn)；e為一次項(xiàng)系數(shù)；d為常數(shù)項(xiàng)。

當(dāng)?shù)平?jì)算時(shí)，選取一組初始極點(diǎn)， 并假設(shè)未知函數(shù)σ（s），其有理函數(shù)逼近σfit（s）如公式（2）所示。

設(shè)σ（s）與f（s）乘積的有理函數(shù)逼近（σf）fit（s）與σfit（s）具有相同的極點(diǎn)，如公式（3）所示。

則有（σf）fit（s）≈σfit（s）f（s），把這項(xiàng)公式展開(kāi)得到式（4）：

將導(dǎo)納頻率響應(yīng)計(jì)算結(jié)果f（si）及其相對(duì)應(yīng)的頻率si帶入式（4），可得到以cn、、e及d為解向量f的超定線性方程組。

利用最小平方法對(duì)x進(jìn)行求解后，可得到oat（s）和（f）mt（s）的表達(dá)式，進(jìn)一步將其改寫(xiě)為分式表達(dá)式，并根據(jù)式（4）可得：

由式（6）可知，f（s）的極點(diǎn)為σfit（s）的零點(diǎn)。如果假設(shè)初始極點(diǎn)與f（s）的極點(diǎn)相同，計(jì)算獲得的將與相 等，即σffit（s），因此可推斷，將前一次計(jì)算求得的。為下次計(jì)算的初始極點(diǎn)反復(fù)迭代，將不斷向真實(shí)極點(diǎn)收斂。完成極點(diǎn)an的迭代計(jì)算后（最后一次迭代求出的），將an、頻率si，和橋墩響應(yīng)f（si）帶入式（1）可得到以cn、e、d為解向量的超定線性方程組，同樣采用最小平方法對(duì)其求解，即可獲得導(dǎo)納傳遞特性的有理函數(shù)逼近f（s）。

在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)綜合理論的過(guò)程中，f（s）可采用如圖1所示的等值電路，電路可以進(jìn)行等效處理。其中，f（s）的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)d和一次項(xiàng)se分別對(duì)應(yīng)電阻支路Ro=1/d和電容支路Co=e實(shí)際值。f（s）實(shí)數(shù)極點(diǎn)分式項(xiàng)采用RrLr，串聯(lián)支路等值，其中Rr=-an/cn，Lr=1/cn。f（s）的共扼復(fù)數(shù)極點(diǎn)分式項(xiàng)采用RcLcCcGc?；旌戏种У牡刃е悼膳c混合分支的分量參數(shù)值和混合分支的輸入函數(shù)進(jìn)行比較，并可通過(guò)鍵入等式獲得。

圖1 導(dǎo)納傳遞函數(shù)等值電路

使用上述方法，在“僅考慮接地線泄漏”和“考慮結(jié)構(gòu)鋼筋泄漏”的條件下，建立高架橋箱梁和碼頭沖擊變化阻抗的相應(yīng)電路模型。根據(jù)鐵路供電線路的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出提供牽引供電保護(hù)的高架橋結(jié)構(gòu)鋼筋布置圖，從而確定“避免結(jié)構(gòu)鋼筋材料滲漏”模型。最后為了驗(yàn)證高架橋箱梁相應(yīng)電路模型和碼頭沖擊阻抗的準(zhǔn)確性，可以采用直接計(jì)算扭矩法進(jìn)行驗(yàn)證。

3 高速鐵路接觸網(wǎng)牽引供電施工問(wèn)題探究

因?yàn)殄^件接頭電氣連接用壓制觸線夾的方法并不符合標(biāo)準(zhǔn)，所以當(dāng)電氣接頭夾掉落于觸線表面下時(shí)，動(dòng)車(chē)組將以240km/min的運(yùn)行速率與觸線夾產(chǎn)生撞擊，使得受電弓自行下降或停止。鉗體材質(zhì)為T(mén)2銅，而“U”形夾材質(zhì)為QSil-3。產(chǎn)品的機(jī)械要求是壓緊后鉗和螺絲扣間的最大摩擦壓力為2.0 kN；電學(xué)特性要求是聯(lián)系點(diǎn)的電流不超過(guò)同樣直徑導(dǎo)線的電流。隨著壓力的增大，螺絲扣夾向平行于接觸的開(kāi)口內(nèi)擠壓。夾子兩端外露螺紋的長(zhǎng)度均為1mm～3mm。擠壓后，夾子底部不能有高度大于2 mm的直尺。

3.1 問(wèn)題分析

夾鉗連接器與電氣連接器經(jīng)常在操作過(guò)程中脫落的主要原因是夾鉗連接器的公差過(guò)大。當(dāng)安裝在接觸導(dǎo)線上時(shí)，當(dāng)零部件位置1（圖2中顯示）的凸起鉤腳在安裝過(guò)程中因?yàn)槟Σ烈约安徽?dāng)操作導(dǎo)致腳鉤長(zhǎng)時(shí)間滑動(dòng)被磨平或者因重量被壓平，會(huì)導(dǎo)致接觸線接式線夾的夾緊固定功能損耗。又由于夾線器在壓制過(guò)程中的移動(dòng)，調(diào)整了中心夾線器，并將柱塞的一側(cè)壓在一個(gè)直表面上（圖2左位置1），將柱塞支撐在“U”形壓力機(jī)的邊緣上，該表面未按計(jì)劃壓入導(dǎo)線的彎頭槽中，導(dǎo)致線夾持器夾持力不足，列車(chē)受電弓快速振動(dòng)。

圖2 接觸線壓接式線夾

在這類(lèi)壓力機(jī)的庫(kù)存中所得到的堵塞解決方案和取樣表明，在裝配過(guò)程中通過(guò)將柱塞支撐于“U”字形線夾器中來(lái)產(chǎn)生較大空隙，提高鉤腳的靈活性。當(dāng)不滿足上述工藝條件時(shí)，用電線沿導(dǎo)線方向滑動(dòng)夾體，使下部導(dǎo)線安裝孔從安裝在接觸線上的螺紋夾的開(kāi)口端移動(dòng)到螺紋夾的彎曲頭，通過(guò)螺紋夾將其連接到接觸線上[8]?？ü坎坏妹撀洌p輕向左和向右拉動(dòng)已安裝的卡箍，直到確?？ü坷喂贪惭b為止。緊固件的制作工序不適當(dāng)，與壓線機(jī)的間隙過(guò)大，導(dǎo)致預(yù)安裝后不平衡。在壓縮過(guò)程中，中心線的操作直接壓在壓力機(jī)的表面上導(dǎo)致壓縮力不足，無(wú)法牢固鎖定接觸線。

3.2 建議措施

在項(xiàng)目工程進(jìn)行的過(guò)程中，壓力機(jī)的安裝質(zhì)量?jī)H取決于制造商授權(quán)的質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)，沒(méi)有定量和簡(jiǎn)單的方法來(lái)檢查產(chǎn)品并生成檢驗(yàn)報(bào)告。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，壓力機(jī)的外形尺寸和壓力機(jī)后尺寸的檢測(cè)也是檢查壓力機(jī)質(zhì)量的方法，但誤差水平很高[9]。對(duì)一次成型的壓力機(jī)質(zhì)量，制造商必須找出產(chǎn)品的外形尺寸和尺寸塑性變形后的標(biāo)準(zhǔn)和制造公差，。因?yàn)榭诘某叽绻钸^(guò)大，所以禁止安裝和使用不符合鋼絲壓具沿電纜滑動(dòng)至“U”形夾要求的卡口或預(yù)安裝后鋼絲壓具未嚴(yán)格聯(lián)網(wǎng)的卡口。

4 結(jié)語(yǔ)

接觸線是我國(guó)高鐵項(xiàng)目施工的關(guān)鍵內(nèi)容。該類(lèi)別的施工質(zhì)量必須符合一定標(biāo)準(zhǔn)才能保證高鐵運(yùn)營(yíng)。如果某個(gè)類(lèi)別的施工中出現(xiàn)重大隱患會(huì)影響高鐵的經(jīng)營(yíng)。中國(guó)鐵路生產(chǎn)技術(shù)水平有了質(zhì)的提升，但是中國(guó)高速鐵路生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)時(shí)間比其他國(guó)家的研發(fā)時(shí)間短且有機(jī)鋼建設(shè)基地滯后，在中國(guó)高速鐵路經(jīng)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生了一些問(wèn)題。為了提高中國(guó)接觸網(wǎng)包括中國(guó)高速鐵路技術(shù)接觸網(wǎng)的生產(chǎn)技術(shù)水平，必須加強(qiáng)建筑群的專(zhuān)業(yè)施工力量，完善施工標(biāo)準(zhǔn)，以降低施工誤差，將各個(gè)施工環(huán)節(jié)串連起來(lái)才能不斷優(yōu)化中國(guó)高速鐵路施工技術(shù)。